拉曼光谱仪中的大功率DFB激光器驱动控制与调谐研究
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摘要
DFB 激光器由于具有单位面积功率密度高、电光转换效率高、寿命长和功耗
低等众多优点，被广泛应用于相干光通信、光学精密测量以及生物化学与生物医
学传感检测等领域，尤其是在拉曼光谱分析中，DFB 激光器的窄线宽、大辐射功
率及结构紧凑等优良性能为高精度、高灵敏度、痕量分析检测等方面提供了重要
的条件和保障。随着生化和生物医学的发展，设计可调谐光源成为目前和未来生
物化学及生物医学分析传感的发展方向。因此 DFB 激光器的可调谐控制不断受到
重视，利用波长可调谐的 DFB 激光光源，不但可以使用差分光谱方法抑制光谱荧
光干扰，而且其系统原理和功能将扩展可检测成分的种类，实现一个分析检测系
统对多成分的同时检测。
本文基于 DFB 激光器的工作原理，分析了激光器的注入电流、工作温度与辐
射激光功率的关系，依据闭环负反馈控制原理进行了电路设计，根据实际需要进
行了电路优化，并通过仿真完成电路验证。实验实现了误差为 0.191%，稳定度为
0.564%的800mA 低噪声恒流源电路，以及稳定度为 0.0681%的35℃恒温控制系
统。此外设计了启动关断保护电路，保护激光器和其他组件并改善了系统电气特
性。实现 304.73mW 的功率平均值，0.570%功率纹波系数的 DFB 激光器大功率驱
动控制。
本文还分析了 DFB 激光器的辐射功率与注入电流、工作温度的关系。进行了
电流调谐的研究，经过电路设计和电路仿真完成了数控恒流源的设计，完成了调
谐实验。进行了温度调谐研究，在设计数控温度调节电路时加入了比例积分控制
环节，经过电路设计和电路仿真验证后完成了温度调谐实验。并进行了电流和温
度综合调谐研究，提出先调节工作温度再调节注入电流的调谐方法，建立了激光
器调谐特性模型，并拟合了模型参数，进行了综合调谐实验，实现了 785.02nm
到792.96nm 的调谐结果。
在光源驱动控制与波长调谐研究的基础上，通过系统结构、光路和电路的研
究进行了便携式拉曼检测系统的设计与实验，得到了一些待测物的测试图谱。通
过将本研究的波长调谐结果与国外相似研究成果对比，可预期本研究的 DFB 激光
器波长调谐控制结果能在移频激发差分拉曼光谱（SERDS）检测中提高多于
16dB 的信噪比结果。
关键词：DFB 激光器 大功率驱动 波长调谐 电路仿真 比例积分控
制 拉曼光谱检测
ABSTRACT
As DFB laser has many advantages, such as high power intensity, high electro-optical
conversion efficiency, long operating life, low power consumption and so on, it is
widely applied in coherent optical communication, high-precision optical measurement
and gas concentration detection. In particular, the narrow linewidth, high radiation
power and small size of DFB laser could dramatically improve Raman spectroscopy
technology. However, the rapid development of chemical industry and increasing
demand for environmental pollution detection start to attract interests in study on
wavelength tuning control of DFB laser which could enable measurements of a wider
range of components and synchronous test of several components by one light source.
Based on the operating principle of DFB laser diode, through designing, optimizing
and verifying the circuits, a low-noise constant current source (800mA, error rate:
0.191%, stability: 0.564%) and a constant temperature control system (35℃, stability:
0.0681%) have been accomplished. Besides, a start-and-stop protection circuit protects
the laser diode and improves the system performance. Then the high-power control of
DFB laser has been realized, with the experimental result of 304.73mW in average
(ripple factor: 0.570%).It also presents the study of wavelength tuning control which
starts with the current tuning control. After the design of a numerically controlled
constant current source, experimental result shows the current tuning is responsive but
the wavelength range is small. Then in the study of temperature tuning control, a
proportional-integral (PI) control segment is added into the numerically controlled
temperature controller. Result shows temperature tuning could get a wider wavelength
range but needs waiting time. After that, a new tuning method combining temperature
control and current control is proposed and a relative mathematical model of the DFB
laser wavelength tuning characteristic is established. By this method, the wavelength
has been tuned from785.02nm to 792.96nm.
At last the high radiation power of DFB laser has been applied in Raman
spectroscopic measurement and gets the spectrogram of ephedrine. Compared to a
similar German research, it could be predicted that the result of wavelength tuning
control could make no less than 16dB signal-to-noise improvement in the shifted
excitation Raman difference spectroscopy.
Key Word: DFB laser, high power control, wavelength tuning, circuit
simulation, PI control, Raman spectroscopy
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ..................................................... 1
1.1 课题背景 .................................................... 1
1.2 国内外研究现状 .............................................. 3
1.2.1 DFB 激光器的大功率驱动研究 .............................. 3
1.2.2 DFB 激光器的波长调谐研究 ................................ 3
1.3 本文的内容及安排 ............................................ 4
第二章 DFB 激光器 ................................................. 6
2.1 DFB 激光器的结构及工作原理 .................................. 6
2.2 DFB 激光器的辐射功率 ........................................ 7
2.2.1 注入电流与激光功率 ...................................... 7
2.2.2 工作温度与激光功率 ...................................... 8
2.3 DFB 激光器的辐射波长 ........................................ 9
2.3.1 注入电流与激光波长 ...................................... 9
2.3.2 工作温度与激光波长 ..................................... 11
2.4 DFB 激光器的特性总结 ....................................... 11
第三章 DFB 激光器的大功率驱动研究 ................................ 12
3.1 系统组成 ................................................... 12
3.2 低噪声恒流源设计 ........................................... 12
3.2.1 恒流源方案设计 ......................................... 12
3.2.2 恒流源电路设计 ......................................... 13
3.2.3 恒流源电路仿真 ......................................... 15
3.2.4 恒流源电路实验及结果 ................................... 20
3.3 恒温控制系统设计 ........................................... 20
3.3.1 恒温控制方案设计 ....................................... 20
3.3.2 恒温控制电路设计 ....................................... 21
3.3.3 恒温控制电路仿真 ....................................... 26
3.3.4 恒温控制电路实验及结果 ................................. 31
3.4 启动关断保护电路设计 ....................................... 32
3.4.1 保护方案设计 ........................................... 32
3.4.2 保护电路设计 ........................................... 33
3.4.3 启动保护电路实验及结果 ................................. 33
3.5 DFB 激光器大功率驱动实验结果 ............................... 34
第四章 DFB 激光器的波长调谐研究 .................................. 35
4.1 电流调谐研究 ............................................... 35
4.1.1 电流调谐方案 ........................................... 35
4.1.2 数控恒流源设计 ......................................... 35
4.1.3 电流调谐实验及结果 ..................................... 37
4.2 温度调谐研究 ............................................... 38
4.2.1 温度调谐方案 ........................................... 38
4.2.2 数控温度调节设计 ....................................... 39
4.2.3 数控温度调节仿真 ....................................... 40
4.2.4 温度调谐实验及结果 ..................................... 44
4.3 电流、温度综合调谐研究 ..................................... 45
4.3.1 综合调谐方案 ........................................... 45
4.3.2 调谐特性模型 ........................................... 46
4.3.3 综合调谐实验及结果 ..................................... 47
第五章 DFB 激光器的应用 .......................................... 49
5.1 拉曼光谱分析设计 ........................................... 49
5.2 拉曼光谱分析实现 ........................................... 50
5.3 拉曼光谱实验结果 ........................................... 52
第六章 总结与展望 ............................................... 55
参考文献 ........................................................ 57
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .................. 61
致谢 ............................................................ 62
第一章 绪论
1
第一章 绪论
1.1 课题背景
现代工业以信息技术为先导，而光纤通信已成为当今各种通信网络的主要传
输方式，全球各发达国家已经把光纤通信技术放在了国家发展的战略地位。纵观
国际光纤通信近五十年来的发展，之所以发展这样迅速，除了人们日益增长的信
息传输和交换需要外，不断改进与革新的光通信器件还为技术的实际应用提供了
重要物质条件，并为技术的发展开辟了宏伟的方向[1-3]。1960 年美国科学家梅曼
发明了世界上首台激光器，从此人们便可获得性质和电磁波相似但频率更稳定的
光源，研究现代化光通信的时代也从此开始。但是最初发明的激光器在室温下不
能连续工作，因此，还不可能在通信中获得实际应用。60 年代至 70 年代初期，
CO2激光器、HeNe 激光器等气体激光器的诞生引导了研究大气光通信的热潮，但
由于空气不是理想光传输介质，光信号传输距离仅百米量级[5-8]。1966 年高锟博
士对光纤作为新传输介质的大胆预言，让人们看到了光纤通信的曙光，而小巧、
高集成度和高性能的光源却又成为光通信的桎梏。随着半导体激光器工艺的成熟
和发展，半导体激光器的性能有了极大提高，由此真正开启了光纤通信的篇章。
高达几百毫瓦的功率、长达 100 小时的工作寿命和低至几兆赫兹的线宽令半导体
激光器实现了商用，并成为光纤通信系统的重要器件，为光纤通信实用化打下了
基础[9-11]。
从光通信的发展历史可以看出，除了光纤技术的重大突破，光源作为关键器
件的改进与革新是该领域发展壮大的重要推动力量。此外，光源的革新发展还推
动了其他许多光电技术的进步。人类认识自然、了解物质构成及其变化必不可少
的技术手段——分析检测技术也是其中之一。20 世纪 80 年代以来，分析检测技
术在化学分析（成分、含量、结构检测、痕量分析检测等）、物理检测（力学传
感、干涉分析仪、物性参数测量等）和天文地理观测、工业生产流程监控、产品
质量控制等传统领域不断广泛应用，并且在生物、医学、环境、生态等新领域中
成为发展的新潮流[12-13]。在这些领域中，生物化学及生物医学是利用高新技术最
多的领域，所利用的相关检测设备和方法包括原子荧光光谱仪、拉曼光谱仪、傅
里叶光谱仪、红外光谱仪、太赫兹光谱仪等[14-15]。
自1928 年印度物理学家 C.V. Raman 发现了光的一种类似康普顿效应的光散
射效应即拉曼效应后，拉曼光谱分析技术随着其光源的不断改进和革新最终成为
当今科学研究的一个重要手段。在 30 年代，拉曼光谱曾是研究分子结构的主要
手段，但此时是以汞弧灯为光源，由于散射光的强度弱及激发光源的能量低等困
难，在相当长的一段时间内拉曼光谱未能成为分子结构分析中实用性的工具。直
上海理工大学硕士学位论文
2
至60 年代激光光源的引入，使拉曼光谱分析在许多应用领域取得很大的发展，
出现了很多新类型的拉曼光谱，如共振拉曼光谱、时间分辨（瞬态）拉曼光谱、
多声子拉曼谱、空间分辨（显微、近场）拉曼谱和表面增强拉曼谱等等，这些新
技术使拉曼光谱在空间、时间和深度上分别进入了微米-纳米尺度、动力学和介质
表面的研究领域[15-18]。
拉曼效应的过程简单地说就是光通过介质时由于入射光与分子运动之间相互
作用而引起光频率改变，下图所示为激光拉曼光谱仪的原理示意图。由于拉曼散
射的强度与入射光的电场强度平方成正比，足够强的拉曼信号产生的关键是增大
样品上的电场强度，即提高光源的功率密度，因此需要选择大功率的光源。另
外，因为拉曼散射频率与激光光源的发光频率一一对应，线宽窄是选择拉曼光谱
仪光源的一个重要要素。而 DFB 激光器由于在有源区（电流注入区间）内设置具
有尖锐的波长选择性的光栅实现反馈作用[19-22]，其窄线宽、大辐射功率及结构紧
凑等优良性能为高精度、高灵敏度的拉曼光谱分析与检测提供了重要的条件和保
障，近年来在拉曼光谱分析中得到了广泛应用[23-26]。
激光器
分光仪
CCD
样品
计算机
图1-1 激光拉曼光谱仪的系统结构图
虽然固定波长的 DFB 激光器在现有的传统分析检测应用中取得了巨大成就，
但是随着生化和生物医学的发展，单波长光源已经不足以满足需求，设计波长可
调谐光源已成为目前和未来生物化学及生物医学分析传感的发展方向。人们开始
探索在光谱分析中扩展可检测成分的种类，以及对多种成分同时进行高效检测的
方法。如果在设备中安置多个非可调谐波长 DFB 激光器，将提高检测设备的造
价，并且使控制管理复杂化。因此 DFB 激光器的可调谐控制不断受到重视，利用
波长可调谐的 DFB 激光光源，其系统原理和功能可将谱线宽度限制在多普勒宽度
范围内，减少谱线的重叠，可应用于光谱差分方法大幅度抑制荧光干扰[30]，扩展
可检测成分的种类，还可实现一个分析传感系统对多成分的同时检测。目前已有
对可应用于拉曼光谱分析的近红外和深紫外波段激光器的研究[33-34] ，
第一章 绪论
3
因此本文针对可见波段 DFB 半导体激光器进行驱动和波长调谐研究。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 DFB 激光器的大功率驱动研究
在驱动方面，DFB 激光器与其他半导体激光器一样，对工作条件要求很高，
瞬间的浪涌电流或者电压尖峰等因素都很容易造成激光器性能的急剧恶化甚至立
即损坏激光器。由于拉曼光谱分析需要大功率的激光光源，因此应用于该领域的
DFB 激光器需要较大的注入电流，此时的电流、温度的波动都会引起光功率的变
化，影响输出的准确、稳定[35-38]。因此，注入电流和工作温度的控制无论对固定
波长激光器还是可调谐激光器的驱动都是非常重要的。
目前在半导体激光技术领域，国内外商用的电流驱动设备和温度控制设备大
多是彼此独立的，虽然功能完善但价格偏高。在电流驱动方面，占据市场主要地
位的有 Wavelength、ILXlight 和Thorlabs 三大品牌，Wavelength 公司的产品性能
较好，驱动器集成了恒流与恒功率两种驱动方式，用户可根据需要灵活选择，以
MPL2500 型号为例，其输出电流范围为 0-2.5A，短期稳定度低于 30*10-6（1小
时），长期稳定度低于 75*10-6（24 小时），噪声小于 10nA。而在国内生产性能
较好的激光器驱动器的厂商有湖北光通公司和上海科联公司，但是目前尚无数字
程控的产品，以光通公司的 JD200T 为例，其输出范围为 0-60A，控制精度为
10mA，噪声低于 10mA。在温度控制方面，国外的公司在半导体激光器的温度控
制技术方面与国内相比仍然处于领先地位,比如美国的 Newport 公司，该公司在温
度控制方面拥有温控范围大（-50.0～+150.0℃）、工作稳定性高（<0.005℃，
24h）、控制精确度高（±0.2℃）的台式机产品。相比之下，国内研发半导体激光
器温度控制产品的研究机构主要是一些大学等研究机构，所出成品在温控精度和
温控范围等主要技术参数上都低于国外产品，比如吉林大学研制的半导体激光器
温度控制器 WK 系列，虽然控制精确度和工作稳定性可与国外产品相媲美，但是
温度控制范围较小（-40～100℃）[39-46]。
因此可以看出国外的驱动器和温控器的性能很好，但是普遍价格昂贵。国内
的驱动器和温控产品方面近年来取得了很大的进步，但相比于国外对 DFB 激光器
的驱动控制结果，国内的驱动控制缺点为被控激光器功率较小，控制精度不高。
1.2.2 DFB 激光器的波长调谐研究
一般而言，在激光工作物质激励方式以及光学共振腔等条件给定的情况下，
输出激光的频率或波长是确定不变的。但是通过改变如腔长、温度、能隙、增
益、折射率中的一种或几种因素，人们可以在一定程度上或一定范围内控制激光
器的输出波长，使其按照可控方式发生连续的变化[47-48]。
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作者：侯斌
分类：高等教育资料
价格：15积分
属性：64 页
大小：3.28MB
格式：PDF
时间：2025-01-09
